Испытан самый маленький в мире двигатель Стирлинга

Температура рабочего тела в цикле менялась от 22 до 86 градусов Цельсия. Движение поршня (рисунки в центре) авторы устройства заменили на движение микроскопического шарика, пойманного в луче света (рисунки по краям) (иллюстрация Valentin Blickle, Clemens Bechinger).

Немцы построили так называемую стохастическую тепловую машину. На неё существенное влияние оказывают случайные события. И всё же, к удивлению учёных, рекордный аппарат смог заработать.

Физики из университета Штутгарта (Universität Stuttgart) и института интеллектуальных систем Макса Планка (Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme) решили выяснить, что произойдёт, если основные детали тепловой машины сократить до микрометровых размеров. Ведь тогда они начнут принимать участие в хаотичном броуновском движении.

«Мы разработали самый маленький паровой двигатель в мире, а если быть более точным — наименьший двигатель Стирлинга, и обнаружили, что он действительно выполняет работу, — говорит один из авторов эксперимента Клеменс Бехингер (Clemens Bechinger). — Этого не обязательно следовало ожидать. Ведь машина настолько мала, что её движение затруднено из-за микроскопических процессов, которые не имеют значения в макромире».

Рабочий газ в необычном аппарате немцы заменили на единичную коллоидную частицу. Сделана она была из пластика, а диаметр её составил всего три микрометра. Шарик этот плавал в воде.

В роли поршня выступал регулируемый лазерный луч оптической ловушки. Его поле ограничивало перемещение шарика в большей или меньшей степени, так же как поршень определяет сжатие и расширение газа в обычном стирлинге.

Роль внешнего нагревателя сыграл второй лазерный луч, который мог быстро включаться и выключаться. В силу очень малого объёма порция воды и плавающий в ней шарик также быстро нагревались и охлаждались.

Схема опытной установки (иллюстрация Fritz Höffeler/Art For Science).

Из-за крошечного размера и лёгкости частицы молекулы воды хаотично подталкивали её в разных направлениях. При этом обмен энергией пластикового шарика с внешней средой, как посчитали экспериментаторы, оказывался одного порядка с энергией, получаемой от луча.

По всему выходило, что шарик впитывал от цикла к циклу существенно разное количество энергии. А это могло не только сделать ход машины неравномерным, но и застопорить её. Тем не менее построенная система сумела нормально заработать, и даже показала эффективность, сопоставимую с эффективностью макроскопического стирлинга. (Детали опыта раскрывает статья в Nature Physics.)

Физики поясняют, что таким способом они исследуют ограничения, которые накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов системы. Полученные сведения помогут в проектировании практически пригодных микромашин.

Кроме того, по значению такой эксперимент сравним с опытами над микро- и наноразмерными объектами, при помощи которых учёные пробуют нащупать границу между классической и квантовой физикой.

Любопытно также, что броуновское движение, рассматриваемое Клеменсом с коллегами как помеха, в реализованном демоне Максвелла выступало как источник полезной работы. При этом на функционирование устройства огромное влияние тоже оказывал именно крохотный масштаб его частей.



Физики создали самый ёмкий электрод для аккумулятора

30 ноября 2011

Американцы побили рекорд скорости на постном масле

25 ноября 2011

Создан материал с рекордной фосфоресценцией

21 ноября 2011

Новозеландцы зажгли рекордную электрическую дугу

9 ноября 2011

Установлен мировой рекорд в трёхмерной визуализации пористых материалов

7 ноября 2011
  • Дмитрий Степанов  12 декабря, 14:50
    а какого кпд? ну к примеру если взять обычный двигатель Стирлинга; и эквивалентное ему количество микродвигателей?
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  12 декабря, 15:30
    да никакой, в свое время читал статью в журнале двигателестроение о созданном в советском союзе двигателе стирлинга, кпд изготовленного двигателя был около 7 процентов, правда в статье в дальнейшем доктора с кандидатами бодренько так написали что нужно сделать чтобы легко повысить его кпд до 30 процентов и вывод сделали что этот двигатель очень хорош и можно хоть завтра его применять
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  12 декабря, 18:35
    Насколько припоминаю из «мурзилок», двигатель Стирлинга был изобретен им как альтернатива вашим ДВЗ, поскольку автор посчитал неприемлемым использовать взрывы топлива.
    После революции в СРСР его выпускали под названием «Тепло и сила», а потом засекретили — как только стало ясно, что 7% кпд — это не предел. При этом двигатель всеяден — даже топливо не требуется: подставил солнцу бок, он и работает, к тому же совершенно безшумно.
    Вроде бы они сейчас на космических аппаратах — что б зря электроны чрез аккумуляторы не гонять.
    Механика его проста, но без высшей математики, высоких технологий и материалов, там делать нечего.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  12 декабря, 18:36
    Хочется добавить: в работе — очень красивая вещь.
    ОтветитьНравится
  • Ольга Добрая  12 декабря, 18:41
    я бы сказала cute :-)
    ОтветитьНравится
  • Алексей Варежкин  12 декабря, 20:20
    когда есть дармовой источник тепла и холодильник тогда да можно использовать, а при всех других случаях гораздо хуже, потому как перепад температур такой же как в двс обеспечить невозможно, по причине отсутствия материалов способных выдерживать температуры в 2000 с лишним градусов
    ОтветитьНравится
  • Александр Мазунов  13 декабря, 00:27
    Сергей Скалба, Вы не совсем правы. Стирлинг создал свой двигатель после того, как в его приходе(он был священник) стало значительно меньше прихожан вследствии взрыва котла паровой машины. ДВС тогда и в помине не было. Насчет КПД: значительно продвинулись в этом отношении в Академии Наук Узбекской ССР, за счет того, что в рекуператоре смогли довести возврат теплоты до 98%. На опытных образцах КПД достигал 60%. У Стирлинга только один минус: громоздкость и соответственно высокая материалоемкость высоколегированных сталей.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  13 декабря, 07:16
    Наверно — первый источник был ТМ. А потом мы еще это обсуждали — почему принцип Стирлинга не реализуется ни в одном живом организме, где трубок, теплообменников и пр. сколько угодно.
    ОтветитьНравится
  • Максим Богатов  12 декабря, 16:31
    Интересно для чего проводятся такие исследования, ?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  12 декабря, 16:48
    Например, если почитать. «таким способом они исследуют ограничения, которые накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов системы»
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  12 декабря, 17:09
    PS А это, в свою очередь когда-нибудь может привести к рождению вполне практических технологий. Хотя в нынешнем виде рекордный стирлинг ни для чего кроме собственно самого опыта не пригоден. :)
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  13 декабря, 07:28
    Леонид Попов
    ««таким способом они исследуют ограничения, которые накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов системы»»

    А как насчет «тянущего луча» — по-моему, прямая связь.
    Соответственно, разделение веществ по цвету, удельному весу или блеску коллойдных частиц.

    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Соколов  12 декабря, 17:53
    Интересно, существует ли понятие износа и усталости, когда механика переходит на молекулярный уровень?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Шляхтов  12 декабря, 18:21
    Скорее нет, чем да. В том смысле, что есть вероятность выхода их строя, но при том устройство либо работает, либо нет (режим плохо работает отсутствует). Это ближе к квантовому представлению, или им и является (но как-то странновато). Пример: у Вас есть молекула декана (часть механизма), которая может превратиться при определенном стечении обстоятельств в другую молекулу, Так вот, это либо декан, либо нет, других вариантов нет. Вероятность определенного стечения обстоятельств тоже можно рассчитать, только это не совсем старение...
    ОтветитьНравится
  • Максим Богатов  12 декабря, 19:36
    А что, объединить пару миллионов таких двигателей, и вот вам, один большой двигатель с вечным сроком службы.
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  13 декабря, 03:32
    Из-за отсутствия износа так и налегают в определенных областях на слоистые материалы из слоев нано толщины. В обычном кристалле могут быть трещины, деформации и т.п, обычно кристаллы представляют из себя нагромождение отдельных кристаллов, монокристаллы куда прочнее.
    ОтветитьНравится
  • Александр Митькин  12 декабря, 18:09
    надо бы посмотреть что случиться, если помеха станет больше.
    ОтветитьНравится
  • Михаил Тоцких  12 декабря, 18:42
    Когда нибудь в далеком будущем:

    «Мне пожалуйста канистрочку 200 лошадей на литр!» )))))))

    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  12 декабря, 19:11
    Всегда было интересно, если сделать детали генератора такого размера, чтоб на них оказывало воздействие броуновское движение, то не получим ли мы вечный двигатель второго рода, которым, собственно, является само броуновское движение?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  12 декабря, 19:15
    Ответ уже был дан давно: вечного двигателя (то есть энергии без затрат) не будет, но будут интересные эффекты (см ссылку про опыт японцев).
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  12 декабря, 19:16
    собсно вот ссылка www.membrana.ru/particle/4568
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  12 декабря, 19:20
    >>>Ответ уже был дан давно: вечного двигателя (то есть энергии без затрат) не будет


    Я б не рисковал утверждать что что то (всё равно что) невозможно никогда... Это моё мнение просто...

    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  12 декабря, 22:01
    Леонид, вопрос был о вечном двигателе второго рода. Он не подразумевает энергии без затрат.
    ОтветитьНравится
  • Виктор Меер  12 декабря, 22:33
    почему без затрат, просто энергия броуновского движения преобразуется в механическую или электрическую, при этом происходит охлаждение рабочего тела, т.е. расходуется энергия. кстати чем-то напоминает работу фотогальванических элементов, только вместо фотонов работают атомы и молекулы.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  13 декабря, 07:33
    Да, а потом из полученной разности температур извлекаете еще энергию — нет, невыйдет.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  13 декабря, 12:17
    Температура — условное статистическое понятие, как и вся термодинамика, не забывайте. Когда речь идет об отдельных частицах, никакой температуры нет, а есть скорости и кинетические энергии. И мне интересно, если обмотать микрочастицу медной проволокой, грубо говоря, и поместить ее в постоянное магнитное поле, будет ли она генерировать ток из-за перемещений под воздействием БД?

    Кстати, нисколько не сомневаясь, что КПД больше 100% в известной Вселенной не бывает, хочу заметить, что у нее самой КПД ровно 100%, так как она — замкнутая система:)

    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  13 декабря, 16:56
    КПД это коэффициент полезного действия, а какое у нашей вселенной полезное действие?
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  13 декабря, 17:28
    Как это какое? Пульсация, взрывы разные, бывают довольно Большие, преобразования материи-пространства-времени разнообразные, японцев на свет произвела с нарушением всех законов термодинамики, опять же:) Теперь они уже сами нарушают. Польза? Польза!

    Вселенная — единственная замкнутая система во Вселенной, а КПД меряется только во внешней системе, так что я пошутил.

    ОтветитьНравится
  • Александр Максаков  15 декабря, 03:28
    Нет здесь вечного двигателя , броуновское движение , это теплота, а она сама по себе энергия , просто использование теплоты снизит температуру тела , кстати любая энергия превращается в теплоту , броуновское движение , движение , вибрацию молекул , вот если заставить молекулы разом двигаться в одном направлении...
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  24 декабря, 14:00
    Дмитрию Генному от 13 декабря 12:17
    Температура действительно, понятие статистическое, но и электрический ток — тоже. Что ж, если электроны двинутся, а частица притормозит — я не против.
    Ну и кончно, согласен с коментарием Королева — о КПД Вселенной: Она же ничего не делает, или Вы полагаете,что некий Создатель задумал все это мироздание, что б использовать нас как рабочее тело?
    ОтветитьНравится
  • Юрий Любимов  13 декабря, 21:50
    А кто доказал-то что она замкнутая?)
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  13 декабря, 22:01
    Она считается замкнутой дабы можно было говорить о большом взрыве и возникновении из исчезающе малой массы — флуктуации вакуума. Если это не так и она не замкнута то все нынешние теории сразу становятся смешными...
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  14 декабря, 01:51
    Кстати, а как современные теории объясняют возникновение события, а Большой взрыв — это событие, в отсутствие времени, и, следовательно, причинно-следственных связей? Не говоря уже об отсутствии пространства и, соответственно, вакуума и самой точки взрыва. Я имею в виду те, которые не учитывают божественное вмешательство.
    ОтветитьНравится
  • Александр Иерархов  14 декабря, 02:12
    В некотором пространстве, неважно где,теория об этом умалчивает, в тамошнем вакууме возникла случайная флуктуация... Это локальное изменение свойств некоей области вакуума. Эта область с микроскопической массой и послужила началом. Дальше фантазии «как могло бы быть». Начальные скалярные поля обеспечили энергией инфляционное эспоненциальное раздувание до нынешних размеров и много чего ечё... Написано об этом много, в том числе и популярного. Нужно только гугля нагнуть....
    ОтветитьНравится
  • ... ...  27 января, 19:38
    Никто не доказал. Просто кому-то очень хочется...
    ОтветитьНравится
  • Юрий Каландаришвили  14 декабря, 13:11
    Я не совсем понял,
    а как эта частица воздействовала на поршень-лазер?
    ОтветитьНравится
  • ... ...  27 января, 19:39
    Похоже, что святым духом...
    ОтветитьНравится